陷入“芯銅”危機(jī)：供應(yīng)短缺與需求增長的雙重挑戰(zhàn)
到2035年，約32%的全球半導(dǎo)體生產(chǎn)可能因氣候變化引發(fā)的銅供應(yīng)中斷受到影響，這一比例是當(dāng)前的四倍。
全球最大的銅生產(chǎn)國智利正面臨水資源短缺問題，導(dǎo)致銅產(chǎn)量增長放緩。到2035年，為芯片產(chǎn)業(yè)供應(yīng)銅的17個(gè)國家中，多數(shù)將面臨干旱風(fēng)險(xiǎn)。
芯片廠因銅回收率低而發(fā)愁，難過“銅”關(guān)。
01
銅，難以替代
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，銅主要用于制造互連線路。傳統(tǒng)互連制造中，通過化學(xué)氣相淀積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）技術(shù)將銅沉積在金屬膜上，它能自發(fā)形成平坦表面，具有高電導(dǎo)率和良好的應(yīng)變特性。
與傳統(tǒng)鋁導(dǎo)線相比，銅線導(dǎo)電性更高、電阻低、絲狀息少且失配效應(yīng)可接受。在超大規(guī)模集成電路（VLSI）和超高質(zhì)量（UHQ）應(yīng)用中，優(yōu)勢顯著。此外，銅還用于處理器和高密度存儲(chǔ)制造，如制造半導(dǎo)體材料的氧化物。
銅也用于制造半導(dǎo)體封裝材料，作為封裝材料一部分可優(yōu)化性能、減少能量損失。同時(shí)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件中的金屬化電容器，其電容和損耗特性極佳，是下一代存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的重要組件。
智利作為最大銅生產(chǎn)國，正應(yīng)對缺水問題。普華永道報(bào)告指出，到2035年，為芯片行業(yè)供銅的17個(gè)國家多數(shù)將面臨干旱風(fēng)險(xiǎn)，若材料創(chuàng)新和水源供應(yīng)問題得不到解決，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加劇。預(yù)計(jì)銅供應(yīng)中斷風(fēng)險(xiǎn)將波及全球主要芯片制造地區(qū)。半導(dǎo)體是銅重要應(yīng)用領(lǐng)域，雖業(yè)界在研究替代材料，但目前尚無材料在價(jià)格和性能上能與銅匹敵。
02
大廠看重“銅”
2024年，英偉達(dá)宣布將人工智能數(shù)據(jù)中心短距離數(shù)據(jù)傳輸從光纖轉(zhuǎn)向銅纜，這預(yù)示著未來銅需求大幅增長，也將提振相關(guān)“銅股”。英偉達(dá)GTC大會(huì)不僅帶動(dòng)了AI芯片市場，芯片上的銅纜產(chǎn)品也備受關(guān)注。據(jù)黃仁勛介紹，GB200采用72個(gè)Blackwell GPU全互連的NVLink技術(shù)，擁有超2英里的NVLink銅纜，展現(xiàn)了銅纜在高性能計(jì)算領(lǐng)域的潛力。
英偉達(dá)此舉是為降低數(shù)據(jù)中心設(shè)備耗電量，大規(guī)模用銅超出業(yè)內(nèi)預(yù)期。該公司表示，用銅替代光學(xué)器件，每個(gè)服務(wù)器機(jī)架可節(jié)省20千瓦電力。
英偉達(dá)從光學(xué)轉(zhuǎn)向銅是熱門話題。使用更多銅的關(guān)鍵因素是液體冷卻，它能讓單個(gè)機(jī)架容納更多GPU（圖形處理單元）。
GB200 NVL72銅互連技術(shù)帶來新的用銅需求。GB200產(chǎn)品系列多樣，NVL72是重點(diǎn)產(chǎn)品，采用先進(jìn)銅纜連接方案。GB200計(jì)算托盤基于新的NVIDIA MGX設(shè)計(jì)，含2個(gè)Grace CPU和4個(gè)Blackwell GPU，有用于液體冷卻的冷板和連接，支持高速網(wǎng)絡(luò)的PCIe gen 6，以及用于NVLink電纜盒的NVLink連接器。GB200 NVL72在一個(gè)機(jī)架中配置72個(gè)GPU和18個(gè)雙GB200計(jì)算節(jié)點(diǎn)或在兩個(gè)機(jī)架中配置72個(gè)GPU和18個(gè)單GB200計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用銅纜盒密集封裝和互連GPU。銅連接技術(shù)散熱高效、成本效益高、能耗低，單臺服務(wù)器采用銅互連方案價(jià)值更突出。單臺GB200 NVL72架構(gòu)用5000根NVLink銅纜連接交換機(jī)和GPU，單臺服務(wù)器銅纜總長近2英里。2024 - 2025年，GB200 NVL72出貨量預(yù)計(jì)分別達(dá)3000臺和50000臺，銅互連解決方案市場空間將逐年擴(kuò)大。
GB200 NVL72大幅提升新一代人工智能加速運(yùn)算能力。英偉達(dá)數(shù)據(jù)顯示，GB200 NVL72相對H100能效提升25倍，相對CPU數(shù)據(jù)處理能力提升18倍，相對H100 Tensor Core GPU大型語言模型推論能力提升30倍，相對H100大型語言模型訓(xùn)練能力提升4倍。
03
銅在芯片中的作用
國際能源署（IEA）預(yù)測，到2026年，全球數(shù)據(jù)中心電力需求將以15%的復(fù)合年增長率增長。摩根大通估計(jì)，到2030年，這將累計(jì)新增約260萬噸銅需求，占2030年全球銅預(yù)期需求的2%左右。未來十年，人工智能計(jì)算能力增長將推動(dòng)全球電力容量大幅提升。
預(yù)計(jì)到2030年銅供應(yīng)缺口將達(dá)400萬噸。報(bào)告指出，純電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)展，加上新銅礦供應(yīng)有限，是預(yù)測銅短缺的原因。
銅互連
銅互連工藝是集成電路制造中連接不同層電路的金屬互連技術(shù)，通過“大馬士革”（Damascene）工藝實(shí)現(xiàn)銅的嵌入式填充。原理是在絕緣層蝕刻溝槽或通孔，沉積銅后用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）去除多余銅，形成嵌入式金屬線。
與鋁互連相比，銅互連電阻率低、抗電遷移性能好，是現(xiàn)代集成電路制造主流互連材料。但銅刻蝕難，傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)不滿足納米級工藝要求，因此發(fā)展了雙嵌入式（Dual Damascene）工藝，一次光刻和蝕刻同時(shí)形成溝槽和通孔，提高工藝效率和良率。
銅在芯片中的核心作用：
1. 全局互連的“電流大動(dòng)脈”
高層厚銅線（M8 - M10層）：厚度1 - 3 μm，傳輸時(shí)鐘/電源信號（電流>10 mA）；1100℃退火后晶粒>1 μm。
2. 局部互連的“納米導(dǎo)線”
低層銅線（M1 - M3層）：線寬10 - 20 nm，連接相鄰晶體管；鈷包裹銅技術(shù)抑制電遷移。
3. 三維堆疊的“垂直電梯”
硅通孔（TSV）：直徑5 μm深100 μm的銅柱連接上下芯片；熱膨脹匹配設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力開裂。
04
銅的危機(jī)傳導(dǎo)鏈
全球精煉銅消費(fèi)量增長，新能源產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)全球銅消費(fèi)。2024年，全球精煉銅消費(fèi)量2733.2萬噸，同比增長2.92%。我國精煉銅實(shí)際需求增長約3.5%，全球除中國外使用量增長約2.2%，歐盟、日本和美國需求疲軟被亞洲和中東及北非國家增長彌補(bǔ)。
從終端應(yīng)用看，新能源產(chǎn)業(yè)（風(fēng)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)及新能源汽車）引領(lǐng)全球銅消費(fèi)增長，占全球總需求的15%，是銅市發(fā)展核心驅(qū)動(dòng)力。
新能源汽車制造離不開銅。從混合電動(dòng)汽車（HEV）到插電式混合電動(dòng)汽車（PHEV）再到純電動(dòng)汽車（BEV），銅用量不斷增加。行業(yè)估算，HEV銅用量約40 - 60公斤，PHEV約60公斤，BEV高達(dá)80 - 83公斤，純電動(dòng)大巴銅用量224 - 369公斤。
以比亞迪“海鷗”為例，每輛車按80公斤銅用量算，35370輛車需銅2829.6噸，凸顯新能源汽車對銅市場影響巨大。
另外，人工智能計(jì)算崛起拉動(dòng)銅需求提升。
生成式AI、大算力推動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展。在ChatGPT等生成式AI技術(shù)和元宇宙等業(yè)態(tài)推動(dòng)下，全球人工智能應(yīng)用拓展。中國電信預(yù)測，2022 - 2027年全球AI市場規(guī)模將以58%的復(fù)合增長率增長至約4000億美元。大模型訓(xùn)練與推理等需求對算力要求更高，IDC數(shù)據(jù)顯示，到2027年我國算力市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)1234.7 EFLOPS，智能算力占比超90%。不過，低功耗技術(shù)趨勢可能挑戰(zhàn)銅需求增長。在“雙碳”目標(biāo)下，降低AI算力芯片能耗是集成電路行業(yè)發(fā)展方向。2022年，以太坊算法革新將挖礦機(jī)制轉(zhuǎn)為權(quán)益證明（PoS），降低99%電力消耗。值得注意的是，銅在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中用量占比75%，若AI能效技術(shù)持續(xù)突破，銅在算力基礎(chǔ)設(shè)施中的需求增長可能受影響。
本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”，作者：米樂，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
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